Cơ sở xây dựng thiết bị xác định pha chạm đất[48,50, 79]

3 2 3 1 Điện áp pha và điện áp thứ tự không khi xảy ra chạm đất một pha

Khi xảy ra chạm đất một pha trong mạng đối xứng (Pha A chẳng hạn) qua điện trở chạm đất Rcđ, giữa điểm trung tính và đất xuất hiện điện áp thứ tự khơng

Biểu thức chung để tính giá trị tức thời như sau:

U 0 (t ) 2 2 2 U Fm 2 cd p1t (3 13) trong đó:

UFm – Biên độ điện áp của pha chạm đất, V;

K 1 R z

Ra

I R

U F

Ia là thành phần tác dụng của dòng chạm đất, A C - Điện dung pha – đất, µF/pha

Ψ – Góc pha đầu pha chạm đất;

P1 – Nghiệm của phương trình đặc tính, P1  R z   Ra 

3CR z Ra

Trị số và góc pha của điện áp thứ tự khơng ở chế độ xác lập dựa trên công thức (3 13) sẽ thay đổi theo biểu thức:

U 0 U 0 m e j U Fm e j

K 2 9 2C 2 Rc2đ

(3 14) trong đó: U0m – biên độ điện áp thứ tự không;

K 9 C R Sin(t ) Sin( )e

φ – góc pha điện áp thứ tự khơng, arctg 3CR a

 R a  R cđ

Trên hình 3 7 thể hiện đồ thị vecto điện áp thứ tự không dựa theo công thức (3 14) khi pha A chạm đất qua các trị số điện trở khác nhau Rcđ

U� A U� A/ U� C/ 1 0 03 01 02 U� 01 U� B/ U� C U� B

Hình 3 7 Đồ thị vecto biểu hiện sự thay đổi điện áp thứ tự không khi

xảy ra chạm đất pha A qua điện trở chạm đất có các giá trị khác nhau Từ đồ thị vecto nhận thấy rằng, nếu mạng trung tính cách ly khi xảy ra chạm đất thì đồ thị vecto điện áp thứ tự không sẽ di chuyển theo nửa cung trịn, cịn khi đấu vào trung tính điện trở Ra thì đồ thị vecto áp thứ tự khơng sẽ di chuyển theo nửa cung elip, tương ứng sẽ có vecto điện áp của pha chạm đất và các pha không sự cố Khi xảy ra chạm đất hoàn toàn (Rcđ = 0) vecto điện áp thứ tự không trùng với vecto điện áp của pha sự cố và φ =0, còn khi chạm đất qua các giá trị Rcđ khác nhau góc φ ≤ 900

Điện áp của pha sự cố, pha chậm sau và pha vượt trước tương ứng được xác định như sau: U A0 (U A2 U 02 2U AU 0 cos (3 15) U B0 U C0 (U B2 U 02 2U BU 0 cos(120 0 ) (U C2 U 02 2U CU 0 cos(120 0 ) (3 16) (3 17) Dựa theo các biểu thức (3 15), (3 16), (3 17) và đồ thị vecto trên hình 3 7 có thể rút ra nhận xét như sau: Phụ thuộc vào góc φ- dựa theo quan hệ điện dung giữa các pha của mạng, điện trở trung tính và sự cố chạm đất, khi điện trở điểm chạm đất giảm sẽ dẫn đến biên độ điện áp pha vượt trước tăng, còn điện áp pha sự cố sẽ giảm dần dần Khi đó điện áp của pha chậm sau bước đầu giảm sau đó tăng dần Khi điện

1 

trở trung tính bằng vơ cùng, φ=600, thì U A0 U B0 Ngoài ra khi U B0 U F0 khi đó điện áp pha chậm sau bằng điện áp pha theo trị tuyệt đối, sẽ xảy ra khi φ<500 Điều

đó có nghĩa là, việc lựa chọn pha sự cố dựa trên sự so sánh trị số giữa điện áp pha sự cố, pha chậm sau hoặc pha vượt trước với các điện áp tựa pha trong mạng có điện dung ≥1µF/pha với điện trở chạm đất ≥ 1,5-2kΩ sẽ gặp khó khăn và nhiều khi khơng thể thực hiện được (khi mạng mất đối xứng) Đối với các mạng điện ở mỏ lộ thiên khi chạm đất qua điện trở có trị số tương đối lớn (≥ 6 - 7kΩ/pha) cần lựa chọn pha sự cố theo phương pháp khác

Nghiên cứu sự thay đổi điện áp pha và điện áp thứ tự không khi xảy ra chạm đất một pha trong mạng với điện trở cách điện không đối xứng (r1 ≠ r2 ≠ r3) Công

thức chung để xác định U 0 trong mạng với điện dẫn, dung dẫn và điện trở đấu vào điểm trung tính:

U 0 1 1 1 2 2 2 3 3 3

g1 g 2 g 3 g a j(b1 b2 b3 ) (3 18) trong đó:

+ U1, U2, U3- điện áp các pha A,B,C tương ứng của mạng dạng số phức; + g1,g2,g3 – điện dẫn các pha tương ứng so với đất, 1/Ω;

+ g a 1

R a

- điện dẫn đấu vào điểm trung tính – đất; + b1,b2,b3 – dung dẫn các pha tương ứng so với đất, 1/Ω; Giả thiết: b1 = b2 = b3 = b/3; g1>g2>g3

với g3 = g – điện dẫn nhỏ nhất là pha C; g2=g +g”- điện dẫn pha B có rị bổ xung g”; g1=g+g’- điện dẫn pha A có rị g’

Đặt vào biểu thức (3 18) các giá trị điện dẫn sau khi biến đổi có kể tới các tốn tử pha hay hệ số pha: a j

2 và a 2 j 32 , nhận được: 2 , nhận được: U 0 U F g '' 3 " 2 2 ( g a jb ) g ) U ( g jb ) U ( g jb ) U ( g jb ) ( g '  j

trong đó: g a - điện dẫn tổng của các pha trong mạng, g a = 3g+ga+g’+g’,  ' g '' 2 3 " 2           g ) 1/ 2 (3 19) trong đó: 0 U 0 U F

Nếu kể đến (3 19), biểu thức tính U 0 trong mạng có điện trở cách điện khơng

đối xứng sẽ có dạng:

(3 20) trong đó: U 0' m U Am 0 - biên độ điện áp thứ tự không trong mạng không đối xứng;

γ0 =α-φ – argument điện áp thứ tự không;

 arctg  arctg  3g ,, ' ,, ;  arctg (b ga )

Đặt trị hiệu dụng của điện áp thứ tự không từ biểu thức (3 20) vào các biểu thức (3 15), (3 16), (3 17) có thể tìm được điện áp tương ứng các pha sự cố, chậm sau và vượt trước trong mạng có điện trở cách điện khơng đối xứng

Phân tích các biểu thức (3 19) và (3 20) chỉ ra rằng, khi bổ sung rò g” vào pha chậm sau B (g1 > g2 > g3) góc α – dương, cịn khi bổ xung g” vào pha vượt trước (pha C) (g1 > g2 > g3) góc α – âm

Khi tăng điện dẫn g” trong pha B dẫn đến góc α – tăng, vecto điện áp thứ tự không giảm và quay về hướng pha chậm sau Khi g” = g’ góc α = 600 Khi tăng g’ biên độ điện áp thứ tự không tăng, các góc α và φ tương ứng sẽ giảm Khi g’ >> g”, γ = 0, hệ số β0 =1, nghĩa là vecto áp thứ tự không theo trị số bằng và trùng pha với vecto

 ( g ) Hoặc: U 0 U F ( g 2 a b 2 )  U F 0  U 0 U 0' m e j ( ) U Am 0e j 0 (2 g g )

số không đối xứng khác nhau K 0 g 2 g 3 r3 r2 2,5 5 so với mạng đối xứng (K0=1) được chỉ ra như sau:

- Giảm điện trở rò bổ sung trong pha chậm sau (pha B) sẽ dẫn đến biên độ điện áp thứ tự không giảm đáng kể (5%); Khi tăng điện trở rị ảnh hưởng của độ khơng đối xứng đến biên độ và góc pha điện áp thứ tự không sẽ giảm

- Tăng điện trở cách điện của pha Rʓ (khi K0 = 2,5 ÷ 5) ảnh hưởng của độ khơng đối xứng lên biên độ và góc pha điện áp thứ tự khơng sẽ giảm

- Khi bổ sung rò vào pha B, điện áp trong pha sự cố sẽ lớn hơn; còn khi bổ sung rò vào pha C, điện áp ở pha sự cố sẽ nhỏ hơn so với mạng đối xứng (K0 = 1) Khi giảm điện trở rò trong pha sự cố (hoặc tăng điện dung các pha của mạng) hiệu số này sẽ giảm

- Khi điện trở cách điện của mạng không đối xứng (K0 = 2,5 ÷ 5), trong mạng có trung tính nối đất qua điện trở có trị số lớn (Ra = 1,6 ÷ 2,5Xc), biên độ điện áp thứ tự khơng sẽ giảm quãng 5 ÷ 7% so với mạng đối xứng

3 2 3 2 Các nguyên lý xây dựng thiết bị xác định pha chạm đất

Các phương pháp và thiết bị xác định pha chạm đất trong mạng trung tính cách ly chủ yếu sử dụng các thơng số xuất hiện khi xảy ra chạm đất một pha theo các biểu thức (3 15), (3 16), (3 17)

Các nguyên lý xác định pha chạm đất mạng 6kV có thể được phân loại như sau[6 ]:

a) Theo sự giảm điện áp pha chạm chất (trong khi điện áp hai pha không chạm đất tăng);

b) Theo góc lệch pha giữa điện áp pha chạm đất và điện áp thứ tự không; c) Theo hiệu số trị tuyệt đối giữa hai đại lượng điện, một là điện áp pha vượt trước, thành phần còn lại là tổ hợp điện áp của pha chạm đất pha chậm sau và điện áp thứ tự không

d) Theo hiệu trị tuyệt đối của pha vượt trước và pha chạm đất

Phân tích các ngun lý như đã nêu ở trên có thể nhận thấy rằng, nguyên lý a) có nhược điểm là độ nhạy khơng cao (1 ÷ 2kΩ/pha trong mạng có C = 1µF) Ngun

lý b,c cho phép lựa chọn pha chạm đất với độ nhạy cao hơn nhưng có cấu trúc phức tạp Nguyên lý d có cấu trúc đơn giản hơn với số phần tử ít nhất mà vẫn đảm bảo độ nhạy cao Nội dung của nguyên lý d như sau[36]:

U V ( A) U C U AU V (B) U A U B U V (B) U A U B U V (C ) U B U C (3 21) (3 22) (3 23)

3 2 3 3 Sơ đồ khối thiết bị xác định pha chạm đất dựa trên hiệu trị số tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha chạm đất

Trên hình 3 8 là sơ đồ khối của thiết bị thực hiện theo các biểu thức (3 21), (3 22), (3 23) Thiết bị bao gồm cầu chỉnh lưu 1, 2, khuếch đại một chiều 3 có chứa rơle RL, các mạch vào 3 và 4

Khi làm việc bình thường trên các cửa vào của cầu chỉnh lưu 1 và 2 (đối với pha A) là hệ điện áp đối xứng Chúng được chỉnh lưu và so sánh về trị tuyệt đối Khi điện áp pha của mạng đối xứng có điện áp vào U v ( A) U C U A 0 , đối với các khối 7 và 8 cũng có U v ( B) U A U B 0 , U v (C ) U B U C 0

Khi có rị một pha, ví dụ pha A, mạng sẽ mất đối xứng, điện áp vào cầu chỉnh lưu 1 sẽ giảm trong khi điện áp vào chỉnh lưu 2 sẽ tăng, điện áp U v ( A) U C U A 0 ,

điện áp đủ rơle RL tác động, trong khi đó trên cửa vào bộ khuếch đại một chiều của khối 7 và 8 (ứng với hai pha B và C) sẽ có giá trị âm do UB>UA, UC>UB , nên rơle tương ứng không tác động Để thiết bị làm việc đúng cần nối đúng thứ tự pha của thiết bị với thứ tự pha của mạng

Các kết quả nghiên cứu chứng tỏ rằng, trong mạng điện 6kV có điện dung so với đất C 1F / pha , độ nhạy của thiết bị khi chạm đất một pha không thấp hơn 12

k / pha Thời gian xác định pha chạm đất không lớn hơn 20ms [37, 52, 53, 57, 60, 61, 67]

Thiết bị làm việc dựa trên cơ sở so sánh giữa hai trị tuyệt đối: Hiệu giữa điện áp pha vượt trước và điện áp pha chạm đất, bao gồm: bộ chỉnh lưu và bộ khuếch đại một chiều, trên mạch ra có đấu rơle thực hiện

AB B C 4125 U AU C 78   RL 3 U v U C U A 6

Hình 3 8 Sơ đồ khối thiết bị xác định pha chạm đất dựa trên hiệu

trị số tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha chạm đất Nguyên lý làm việc dựa trên sự so sánh trị tuyệt đối giữa hai dòng chỉnh lưu một chiều trên cơ sở điện áp pha – vượt trước (tựa) và sự cố (đo) Van một chiều được đấu trùng với chiều chỉnh lưu và ngược với nguồn cung cấp – là phần tử so sánh giữa dòng tựa với dòng đo

Ở chế độ làm việc bình thường:

Uđ > Ut hoặc iđ > it (3 24)

Khi sự cố chạm đất (Pha A) điện áp ở pha chạm đất giảm (dịng đo giảm)-hình 3 8; khi dịng đo nhỏ hơn dịng tựa thì van so sánh đóng lại và hiệu dịng tựa-đo chạy qua vùng E-B của Tranzito bộ khuếch đại, cơ cấu thực hiện sẽ tác động

Nhược điểm của thiết bị này là độ nhạy thấp do hạn chế đ/k (3 11) đối với điện áp pha chậm sau

Từ đồ thị vecto hình 3 7 (điểm O1) nhận thấy: với giá trị xác định của điện dung pha–đất và điện trở chạm đất, điều kiện (3 12) đối với pha B sẽ không đảm bảo, nghĩa là:

Uđ(B) ≤ Ut(B) (3 25)

Khi đó hiệu số có thể dẫn đến tác động nhầm lẫn đối với pha B tiếp theo Để loại trừ điều này cần phải làm giảm độ nhạy của bộ khuếch đại dựa trên hiệu số dòng

như trên, kết quả là hạn chế được độ nhạy của thiết bị theo điện trở chạm đất một pha Ví như khi điện dung pha – đất là 1µF/pha, độ nhạy của thiết bị khơng q 1,5kΩ/pha Như vậy độ nhạy của thiết bị được giới hạn theo điều kiện không tác động của phần tử thực hiện đối với pha tiếp theo

Mục đích của phương pháp là nâng cao độ nhạy và tính tác động nhanh của thiết bị xác định pha chạm đất

Mục tiêu đặt ra có thể đạt được nhờ bộ chỉnh lưu và khuếch đại dòng một chiều theo số pha, trên cửa ra của bộ khuếch đại có đấu rơle thực hiện, đầu vào mỗi bộ chỉnh lưu đấu tới mỗi pha qua bộ tách pha 3 điện áp, đầu vào của bộ chỉnh lưu kia cũng tương tự - tới pha vượt trước, còn các cửa ra của chỉnh lưu được đấu với bộ khuếch đại một chiều theo sơ đồ so sánh giữa hai điện áp theo trị tuyệt đối

Sơ đồ tách pha thành 3 điện áp trước mỗi bộ chỉnh lưu cho phép khả năng san phẳng tức thời tín hiệu vào chỉnh lưu của bộ khuếch đại, đây là điểm cách biệt so với sơ đồ san phẳng dùng điện dung có thời gian duy trì tác động đáng kể

Hình 3 9 là đồ thị vecto giải thích nguyên lý tác động của thiết bị (đối với trường hợp chạm đất pha A)

Hình 3 9 Đồ thị vecto giải thích nguyên lý tác động của thiết bị

(Trường hợp chạm đất pha A)

Thiết bị xác định pha chạm đất (Hình 3 8) bao gồm các bộ chỉnh lưu 1 và 2 (Chỉnh lưu 3 pha theo sơ đồ Larionor), bộ khuếch đại một chiều 3 với rơle thực hiện được lắp đặt trên cửa ra và các bộ tách pha 4,5 với 3 điện áp lệch pha cùng nằm trong khối 6 Các khối 7 và 8 cũng tương tự Các khối 6,7,8 được đấu tới các pha A,B,C (9,10,11)